▶  물에 뜨는 물체의 부피와 무게

넌 수영도 못하면서 물에는 왜 들어간 거야?

튜브를 끼었으니까 물에 뜰 줄 알았지. 근데 왜 안 뜨는 거야?

위 그림의 튜브가 널 뜨게 해줄거라고 생각했다구? 그건 널 무시한 거야.

무슨 말이야? 잘 설명해봐.

먼저 뜨고 가라앉는 것에 어떤 것이 영향을 주는지에 대한 힌트를 줄 동영상을 관찰해봐.

같은 질량의 찰흙인데 모양에 따라 물에서 뜨기도 하고, 가라앉기도 하네. 속이 꽉찬 공모양의 찰흙은 가라앉고, 오목하게 배모양으로 만든 찰흙은 뜨고.

어떤 물체를 아래로 가라앉 하는 힘은 지구중력이지. 어떤 물체에 작용하는 지구중력의 크기를 물체의 무게라고 하고. 그런데 무게는 질량에 비례해. 즉, 질량이 커지면 그 물체에 작용하는 지구중력이 커져.

그리고 물체를 위로 뜨게 하는 힘인 부력은 물체의 부피와 관계있어. 물체의 잠긴 부피와 같은 부피의 물의 무게가 부력의 크기지.

[참조: 물체가 밀어낸 물의 무게와 가벼워진 무게]

그러니까 아래로 작용하는 지구중력은 물체의 질량에 비례하고, 위로 작용하는 부력은 물체의 잠긴 부피에 비례하는 거네. 물체가 어떤 위치에 떠있다면, 그 위치에서 지구중력과 부력이 같다는 거니까, 아래 그림처럼 정리할 수 있겠어.

그렇지. 같은 양의 찰흙으로 만든 두 가지 모양 찰흙의 같은 점과 다른 점을 정리하면 다음과 같아.

같은 부피를 비교하였을 때 공기의 질량은 물의 1/1,300 정도밖에는 안 돼. 따라서 공기는 질량은 거의없이, 부피를 키워준다고 볼 수 있지.

아하~
그래서 공 모양의 찰흙은 전체 부피가 다 잠겨도 중력을 이길 만한 부력이 생기지 않고, 배 모양은 다 잠기지 않고도 중력을 이길 만한 부력이 생기는 구나.

물체의 한 가지 성질로 그 물체가 물에 뜰지 그렇지 않을지 알 수 있어.
어떤 물체가 수면 바로 아래에 떠있다고 생각해봐.

물체의 부피와 같은 부피의 물의 무게 = 물체의 무게
물체의 부피와 같은 부피의 물의 질량 = 물체의 질량

의 관계가 있는 거야.

같은 부피의 물과 물체의 질량이 같다고? 물체의 질량을 부피로 나눈 것을 밀도라고 하니까. 같은 부피를 비교하였을 때 질량이 같다는 것은 밀도가 같다는 뜻인데.

맞아. 물체의 밀도가 물의 밀도와 똑같다면 수면 바로 아래에서 떠있는 거야. 만약 물체의 밀도가 물보다 크다면 다 잠겼을 때 부력이 지구중력보다 작다는 뜻이니까, 가라앉지. 반대로 물체의 밀도가 물보다 작다면 물체의 일부가 수면 위에 있도록 떠있게 돼.

아하! 물체의 물도가 물보다 크면 물에서 가라앉고, 물과 같거나 작으면 물에서 뜨는 구나~

이제 네까 어떤 튜브를 사용해야 물에 뜰지 알겠지?